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基于云技術(shù)的個性化矯形器3D打印平臺
供稿人:孫暢寧，王玲
發(fā)布日期：2017-10-12
矯形器是用于預(yù)防或矯正四肢、軀干的畸形或治療骨關(guān)節(jié)及神經(jīng)肌肉疾病并補償其功能的裝置。據(jù)估計，在美國，矯形器的需求量將從1995年的5600萬增長到2020年的7300萬件。相比一般產(chǎn)品，個性化矯形器得佩戴更加貼合、舒適，也能夠更好地起到功能補償?shù)淖饔谩?/p>
傳統(tǒng)的個性化矯形器的制作主要是通過石膏造模法制造，這種方法的制造周期和成本都很高。美國密歇根大學(xué)矯形器和假肢中心開發(fā)了面向矯形器的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和增材制造系統(tǒng)（Cyber Design and Additive Manufacturing，CDAM）。該系統(tǒng)包括四個核心功能：
- 三維形貌捕獲：醫(yī)生使用3D掃描儀對病人患處的外形進行掃描，并上傳掃描數(shù)據(jù)至網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中心（Cyber Design Center）。
- 個性化矯形器的設(shè)計：醫(yī)生使用CDAM系統(tǒng)的設(shè)計軟件Standard Cyborg?，進行患處骨骼肌肉區(qū)分、邊緣定義、厚度設(shè)置等工作，實現(xiàn)個性化矯形器設(shè)計。
- 個性化矯形器增材制造：矯形器制造采用熔融沉積成型技術(shù)（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）。根據(jù)設(shè)計好的矯形器STL模型，生成FDM設(shè)備的控制程序，該程序可以被下載到增材制造設(shè)備上。矯形器制造可選擇的材料ABS、PLA、尼龍或碳纖維增強尼龍等材料。
- ?測試與臨床評價：參考矯形器臨床前測試的各項標準，通過有限元方法對設(shè)計結(jié)果進行校核和評估；醫(yī)生協(xié)助患者穿戴矯形器，通過步態(tài)測試，評估患者穿戴矯形器后的功能恢復(fù)程度。
圖1 面向矯形器的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和增材制造系統(tǒng)
圖2 基于云技術(shù)的個性化矯形器設(shè)計制造流程
為實現(xiàn)以上功能，CDAM系統(tǒng)包括涵蓋硬件服務(wù)、軟件服務(wù)、平臺服務(wù)和基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)四個部分。系統(tǒng)的硬件服務(wù)為FDM設(shè)備；軟件服務(wù)則向用戶開放了相關(guān)CAD/CAM和有限元軟件的使用權(quán)限；平臺服務(wù)允許開發(fā)者提供新的應(yīng)用模塊；基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)則提供了高性能的計算機和服務(wù)器。
CDAM系統(tǒng)的一個重要目標是縮短矯形器的設(shè)計制造時間，使得患者能夠在一天之內(nèi)獲得個性化的矯形器，從而不需要多次往返醫(yī)院。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)在密歇根大學(xué)矯形器和假肢中心投入使用，實現(xiàn)了對足踝矯形器的設(shè)計制造和臨床評估。
參考文獻：
- A. Shih, D.W. Park, Y.Y. Yang, R. Chisena, D. Wu, Cloud-based Design and Additive Manufacturing of Custom Orthoses, Procedia Cirp, 63 (2017) 156-160.
- Y.A. Jin, J. Plott, R. Chen, J. Wensman, A. Shih, Additive Manufacturing of Custom Orthoses and Prostheses-A Review, Additive Manufacturing, 12 (2016) 77-89.
